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宇宙中的星系，居然和地球上的城市如此相似
以下根据戴昱老师2020年9月5日在高山大学、GMIC以及腾讯公益基金会联合出品的“科学公益直播”的课程整理而成，经老师审核后公开发布。
※全文6303字丨5分钟阅读※整理丨张明※编辑丨朱珍
授课老师：戴昱，中国科学院国家天文台研究员。
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一、什么是星系？
星系是由千百亿颗恒星以及分布在恒星间的星际介质共同构成的巨大天体系统。换言之，在星系覆盖的区域里面，受它的引力束缚的所有物质包括恒星、气体、尘埃、星际介质都是属于该星系的。
几千亿颗类似太阳的恒星和恒星系统共同构成了银河系这个星系。
二、如何观测星系？
1、红移
如果坐在警车里，听到的警笛声基本是一样的；但如果在路边，随着警车的靠近和离开，频率会在耳朵中显示出不同的效应，这种效应叫做多普勒效应。
警车靠近的时候，听到的频率会比本身的频率高，声音急促；警车远去的时候，听到的频率会变低，声音被拉长。这两种效果分别对应了蓝移（靠近的时候）和红移（远去的时候）。
哈勃最早系统测量了星系的红移，证实了星系的存在，因此被称为“星系天文学之父”。
2、多波段观测天文学
在一般用相机拍出来的光学照片里，我们可以看到人的皮肤、肌肉的纹理，但是看不到肋骨的，只能看到最表面的反射光的东西。
如果换成红外相机，看到的是人身体上的温度分布。如果再换成CT扫描，可以看到不同截面的人体组织器官，但还是看不到肋骨。最终，我们需要用X射线才可以清晰地看到一个人的骨骼组织。
同样，要了解一个星系的全貌，也需要整合多波段的观测。不仅要看到星系的皮肤，也要看到星系的肋骨。
在天文学中还有一个变数就是红移的存在。在一个遥远星球上发出的光会随着红移变到了其他波段，所以要看到那个星球发出的可见光，我们需要用的也许是红外望远镜。
把星系中恒星的现在、过去、未来叠加在一起形成的合成图可以帮助我们了解星系中的恒星已经和正在什么区域形成、之后可能在哪里形成的整个过程。
三、银河系是特别的吗？
想象一下，假如有一台巨大的无人机或者一个外星人，从足够远的某个角度看到的银河系是什么样的呢？很可能是这样的：
银河系中含有1000-4000亿颗恒星，直径大概在10-20万光年。太阳只是银河系中小小的一员。
银河系的年龄可能有135亿岁，这是根据银河系中目前测到的最古老的恒星的年龄来推测的。
太阳位于银河系的猎户座旋臂上，距离银河系的中心大概有26000光年。太阳的年龄估计是46亿岁，正值壮年。根据模型推测，太阳或许还有50亿年可以燃烧。
如果从侧面看，银河系呈陀螺状，绕着中间缓慢旋转。银河系的中心位于它的核球，大部分的恒星位于核球、银盘和旋臂上，还有一些散落在银晕上。
太阳绕银河系中心的速度大概是200公里每秒，可是我们身在其中不觉得它快。
银河系就其本身来说当然是特别的，因为它是我们目前唯一的家园。而且在天文学中也是把银河系和所有其它的星系分开来学习的。用银河系和河外星系区分了这一个星系与其它上万亿个星系，可见银河系当然是非常特别的。
但是从星系研究的角度，银河系又确实只是芸芸众星系中的一员。
四、已经发现的深空天体有哪些？
18世纪初就有大量观测发现了河外星系，但浩瀚太空中，有多少个不同的星系，又分别有些什么特点呢？
我们常听到的深空星体的命名很多来自 “梅西耶星表”。
在天文学里，深空天体一般指的是地球、太阳系、银河系之外的天体，也可以笼统地说有一定红移的天体。
在业余爱好者中广为人知的还有星云星团新总表（以NGC开头编号），星云星团新总表有7500多个星体，包括了几乎所有的深空天体。梅西耶表中的著名非星系星体有：
1、星云
（1）蟹状星云（M1）
蟹状星云是一个超新星爆发后残留下来的星际介质。距离地球大概6500光年，而且它正在以每秒1000多公里的速度在膨胀。在宋代就有详细记载，“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”（见《宋会要》）
这个超新星位于金牛座的天观星附近，历史上也被叫做天观客星。
（2）环状星云（M57）
环状星云（M57）是位于天琴座的一个行星状星云。这种天体是一个红巨星（恒星的一种演化阶段）在演化成白巨星的最后阶段，它会把气体的壳层驱散到周围，然后电离形成这样一种美丽的星云的状态。
（3）猎户座大星云（M42）
猎户座大星云（M42）是猎户座的弥漫星云在最接近地球的恒星形成区，距地球1300多光年，是肉眼可见的一个星体。它的气体尘埃形成非常漂亮的弥漫状的形态。
不仅业余的天文爱好者喜欢，很多研究恒星形成的天文学家也经常用望远镜对准猎户座大星云观测恒星的形成、行星的形成等现象。
2、星系
梅西耶星表中差不多有一小半其实是星系，即最早发现的那一批星系。
对星系最经典的分类方法是是哈勃提出来的，根据它的形态分类，所以也叫星系的哈勃分类。
根据星系的形状从年长到年轻可以划分为椭圆星系、透镜星系、旋涡星系或棒旋星系、不规则星系这五种。透镜星系、旋涡星系或者棒旋星系等也叫盘星系。 （1）椭圆星系
椭圆星系M87非常有名，距离地球5500万光年，它的大小与银河系差不多。但核心质量是银河系的两倍，总质量可能有银河系的200倍。
人类拍摄到的第一张黑洞照片就是M87的黑洞。这个黑洞的质量约是太阳的65亿倍，是一个非常大质量的黑洞。
另外，M87是一个E0的星系（椭圆星系按照椭率分为E0-E7，E0-E7代表从圆到扁，不同椭率的椭圆星系形态上会更扁更长）。
（2）透镜星系
M102是一个纺锤星系，它也有NGC的编号——NGC5866。它的形态非常扁长，因为在地球上看这个星系是从侧面看过去的，形状像纺锤，所以叫纺锤星系。
它最特别的一点是有一个延展的尘埃盘。所以天文学家还有另外一种想法，觉得它可能不是一个透镜星系，而是一种环状的、侧面对着我们的旋涡星系，目前还在研究中。
（3）旋涡星系
仙女座星系（M31）有核区、旋臂，是很经典的旋涡星系。直径与银河系差不多，有10-20万光年。外表酷似银河系，是我们重点研究的一个星系。
仙女座星系的质量大约是银河系的两倍，但银河系比仙女座星系的恒星形成率更高。仙女座星系每年可以造出大概1个太阳质量的恒星，银河系则每年可以造出3-5个太阳质量的恒星。按照这个速度，银河系的质量在未来是有可能追上仙女座星系的。
（4）棒旋星系
NGC1300距离地球6100多万光年，直径大概是11万光年，比银河系稍微大一点。它的漂亮的旋臂贯穿了整个星系，穿过了盘、核球、核心，结构非常清楚。
尘埃的分布（上图中条纹状的东西）显示了盘面的结构，还有一些棒上的精细结构，非常美丽。
（5）不规则星系
雪茄星系（M82）是一个不规则星系。上图中显示的绿色部分是雪茄星系在可见光下的观测到的样子，红色部分表示红外波段下观测的结果，蓝色部分则是X射线下的情况。
如果只看可见光的时候，它就是古巴雪茄的形状，所以叫雪茄星系。
十几年前在近红外下的观测中发现，雪茄星系可能也有对称的螺旋的旋臂，也有可能是不规则星系中的旋涡星系。
雪茄星系中进行着非常剧烈的恒星形成，它是一个星暴星系，恒星在其中爆炸般快速生长。它每年可以产生几十个太阳的恒星质量。同时，它也是一个拥有超大质量黑洞的星系。
上面的星光像美杜莎头像上的蛇，中间的亮圈是一个直径大概500光年、不含气体的高速的恒星形成区，也叫“美杜莎之眼”。流向“美杜莎之眼”的气体正在触发大量的恒星形成，恒星会发光，所以就显得特别的明亮。上面的“美杜莎蛇”里也有一些蓝色的比较年轻的恒星刚刚形成。
这一个并合星系可能处于大星系吞噬掉小星系过程中，在这一过程中抛射出了大量的物质和恒星，形成了一些不规则的形态。
3、星系团与星系群
星系在太空中的分布是不均匀的，它们往往聚集成团，少则三两成群，多则几百个聚集在一起，就是星系群和星系团（星系群是50个左右的星系集团，拥有更多星系的集团是星系团）。
星系群和星系团与宇宙大尺度结构是有关系的。
银河系所处的星系群叫本星系群，大概有50个成员，包括银河系、仙女座星系、三角座星系。本星系群的质心大概位于银河系与仙女座星系之间的某处。所以银河系是处于本星系群比较中心的地位。
笑脸星系团的两个眼睛是两个非常亮的星系，其中一个可能是椭圆星系，另一个看上去是一个不规则星系。它的微笑其实不是宇宙中真实存在的形态，而是由强引力透镜产生的光弧，也叫“爱因斯坦环”。
笑脸星系团的红移在0.26-0.56之间，距离地球约30-50亿光年。
引力透镜是由于星系团的存在（星系团基本是宇宙中质量最大的结构），遥远星系的光在经过星系团的时候会受到星系团的强引力作用，这个强引力作用会弯曲时空造成引力透镜效应，会放大、变形、弯曲光。
4、星系对
其实大量的星系并不孤单，它们在与其它的星系进行着双人舞或多人舞。
NGC2623是位于巨蟹座的星系，它是两个星系在强烈碰撞之后形成的形态。它就像两朵花一样，两个花心碰到了一起，剧烈的碰撞会提高两个中心区的恒星形成率，相当于在两朵花的花心之间又绽放出了新的花朵（见上图中亮蓝色的斑点）。
NGC2623已经处于星系并合的最后阶段了，我们叫它后并合时期的星系对。
上图是一个多重共舞的景象，是史蒂芬五重奏星系。它由5个不同的星系组成，后面4个星系在同一个红移，最亮的成员旋涡星系NGC7320其实是一个前景星系。从颜色也能看出它和其它几个成员不一样，它里面的红色和蓝色的小点是活跃的恒星形成区。
五、星系是如何形成的？
1、星系的形成与宇宙的演化
星系的形成要从宇宙的幼儿时代说起，也就是从130亿年以前说起。
宇宙诞生在大约138亿年以前。大爆炸时期大量的物质在以超光速发生暴涨后形成气体云，物质密度的扰动打破了平衡，所以在宇宙微波背景辐射以后产生了第一批的恒星，这些恒星最终汇聚成最初的星系。
在这个过程之后，我们发现星系的分布有一些特别的形态。
欧洲南方天文台的VIPERS巡天观测结果绘制了全天星系的分布，用到了55000个星系，大概是宇宙中期（红移1左右，到现在宇宙年龄一半的时候）。大尺度结构我们看到有网状结构或泡沫状结构，这是实际观测的结果。
2、星系与超大质量黑洞
星系的演化
最初星系的形成是由很多很小的星系一点一点并合，最终产生大质量的星系。不管是哪种形态的星系，都是紧密结合在高密度的中心核球区域的。
观测和理论共同认为，几乎所有的星系中心都存在超大质量黑洞。超大质量黑洞与星系的形成和演化有非常重要的关系。
黑洞的强引力场会导致光无法溢出，但我们可以通过其他的波段推测黑洞的存在。
对黑洞最开始认识的是在1970年左右发现了中子星，我们认为它是恒星坍缩以后形成的恒星级的黑洞。然后有人认为这些小的黑洞不断并合最终成为了超大质量黑洞。
上周新闻报道了编号为GW190521的引力波事件，探测到了目前最大质量的恒星级黑洞，也是第一个中等质量的黑洞，这是非常重要的发现。
可以想象，如果这种类型的黑洞继续并合下去，最终有可能会成为位于星系中心的超大质量黑洞的种子。
寻找中等质量黑洞是天文学中的一个热点。
上图是银河系中心的超大质量黑洞位置示意图，位于人马座，将近10年的观测发现，其它的星体绕着它运动，但它自己是不动的。说明它是这些环绕的质量的中心。
人马座A*黑洞质量估计为400万个太阳，是银河系中的超大质量黑洞。但银河系中的超大质量黑洞可能不止一个。
六、学习星系和日常生活有关系吗？
学习天文学对我们理解社会是有帮助的，因为很多统计学和社会学的手段也被运用到天文学中。
1、星系结构与城市分布
如果把宇宙中的星系类比为人类聚居的城镇，我们发现二者的分布十分相似。
上图中左边是对星系的形成造成的结构的模拟图，从最初的比较密集到开始疏散，放大以后到网状结构，再放大可能就是星系团，然后再到星系群。这是星系的一个行为。
因为星系是宇宙原初的密度扰动，局部的密度增加以后产生恒星和星系。城镇也是一样的，人口密度和数量超过一定的临界值以后城市就产生了。虽然尺度的差别非常大，但星系的分布和城市的分布有非常高的相关性。
在数学的表述上，星系团和城市分布都可以用密率分布的两点相关函数来进行描述。
天文学家王涛博士曾有一段非常精彩的论述：“人们向大中城市的聚居行为很大程度上可以用类似引力的特性描述，比如城市吸引力大小与城市规模成正比，与城市的距离成反比。所以我们可以通过类比星系来推断决定人类的城市分布模式的最可能要素。”
2、基尼系数与人类社会、星系
基尼系数在社会学中是用来描述人类社会财富分配的平等程度。基尼系数越高说明财富差距越大、社会越不平等，社会越可能发生动荡甚至发生变革。
基尼系数很早就被运用在星系的分析中了。天文学家发现星系的面亮度也可以用基尼系数来表示，然后通过基尼系数的大小可以区分年轻和年老的星系。基尼系数越小、越平均的那些星系相对更年轻，基尼系数越大、越不平均的星系相对更年老。
年轻和年老的星系它们的差大概在基尼系数0.5-0.6的范围内，这就把两类星系区分开来了。物质分布更平均，就更容易产生新的恒星，然后星系持续生长；反之，星系就失去生长恒星的能力，进入衰老的状态，甚至死亡。
我们发现，人类社会也是在基尼系数0.5-0.6的范围内发生了有趣的变动。如果把去年和今年发生骚乱的地区标红了一下，有美国、智利等，它们的基尼系数都是在0.5以上的范围内，与星系区分年轻、年老的指标很相似。
3、恒星形成密度与人口密度类比
另外一个有趣的对比是恒星形成的密度与人口的密度类比。当恒星形成的密度（叫做比恒星形成率）太高的时候，整个星系的星系的生长速度就会降下来。
我们发现这一点在人类社会中也有。随着人口密度的增加、种族的密度过高，就会导致它的繁衍速度降低。中国沿海地区的人口密度很高，但是生育率是全国最低的。
种族密度过高导致繁衍速度降低同时存在于星系和人类社会中。
4、小结
以上都是一些有趣的类比，是人类认知社会的一个手段，但它本身并不是科学论证。合理的类比可以帮助我们举一反三、抽丝剥茧，指明科学论证可能的方向。
希望大家能够通过学习、通过对天体物理现象的思考，见微知著；当然天体物理中应该是见著知微、触类旁通，对于“学习星系，和我们的日常生活有关系吗？”这一问题找到和日常生活有关联的、专属于自己的答案。
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